Современные города растут, а вместе с ними растут и горы отходов, здесь и биологические отходы, отходы от утилизации автомобильной промышленности, зоотехнические и др. Проблема переработки и уничтожения отходов гложет мир уже несколько десятилетий.  Созданы большие полигоны бытовых отходов, мусоросжигающие заводы, зоотехническими отходами заполнены десятки и сотни тысяч гектаров с/х земель, но проблема их утилизации до сих пор не решена. Следует сразу отметить, что в настоящее время не существует дешевых и безопасных технологий уничтожения отходов, это остается прерогативой богатых стран. В 80 годах в Германии, Франции и Италии возникли мощные мусороперерабатывающие заводы, сжигающие отходы при высокой температуре, на выходе получается электро и тепловая энергия.

КПД по выходу электроэнергии подобных заводов оказался довольно низким, а теплу в жаркое время года трудно найти логичное и дешевое применение. Кроме того, постройка подобных заводов достаточной производительности является сверхдорогим мероприятием: например, завод ломбардской компании «А2А» в г. Бресшия стоит около 300млн. Евро и перерабатывает в год около 300 тыс. тонн бытовых отходов. При этом муниципалитет платит за утилизацию отходов около 140Евро за тонну( в 2013 году стоимость повысилась до 180Евро за тонну), между тем только обслуживание дымовых фильтров, которые занимают 80% территории завода, обходиться порядка 100Евро за тонну.

И опять же встает проблема захоронения отработанных сажевых фильтров. До 2012 года два завода в Ломбардии получали ежегодно субсидию региона в размере 240 млн. Евро. Поэтому настаивать, чтобы в Москве, где граждане платят за утилизацию мусора по 10 евро в год, наивно. Например, Москва, которая производит по самым скромным подсчетам 10млн. тонн отходов в год, должна построить около 40 мусоросжигающих заводов, стоимостью 10млрд Евро, при этом их обслуживание обойдется еще минимум в 1млрд. Евро за год. Конечно все цифры приблизительные и заниженные.

Новинки в области переработки отходов.

Серьезной альтернативой мусоросжигающим монстрам в последние два десятилетия стали заводы-установки молекулярной диссоциации, функционирующие при невысоких температурах «тления». Разложение органических веществ происходит при температурах 350-450*С с ограниченной подачей кислорода(в закрытых реакторах). У таких установок нет трубы и соответственно нет никаких выбросов в атмосферу. Но описанием этих установок мы займемся в другой статье, а сейчас перейдем к самым распространённым и известным биогазовым установкам(БГУ).

Биогазовые установки

В настоящее время, наиболее распространенным способом переработки жидких отходов, являются установки биогаза. Даже в России, на агропромышленных предприятиях существует повальное увлечение установками биогаза. Дело в том, что многие владельцы или руководители ферм при помощи биогазовых установок предполагают решить проблемы утилизации отходов с одновременным получения тепла и электроэнергии, избавления от дурных запахов, создания удобрений. Например, в белгородской области хотят построить 160! установок биогаза, не понимая, что это такое. В этой статье мы рассмотрим устройство и функционирование двух определившихся на сегодня систем биогазовых установок на основе мезофильного и термофильного метанового сбраживания.

Следует также заметить, что в западных странах, где природный газ стоит 1000€/1000м3(для примера в России 40-50€/1000м3), биогазовые установки в первую очередь развиваются для производства альтернативной энергии(стоимость 1квт-ч = 0,28€), а не для переработки отходов. При такой высокой цене на электроэнергию существуют спекуляции «производителей» биогазовых установок, рассчитанные по методу капитализации и банковских процентов(возвратности инвестиций), а не по затратам на ее создание. В последние годы в Европе возник также фактор утилизации самой биогазовой установки, т.е. после окончания срока ее эксплуатации владелец обязан утилизировать её за свой счет.

Для утилизации метантенков из сборного/монолитного ЖБ предусмотрена банковская гарантия от владельца установки(фермера) на 100% стоимость утилизации бетона. Как правило срок существования гарантии берется 15 лет-после она продлевается, но никогда не исчезает. То же относится к метантенкам из никелированной стали. Метантенки из нержавеющей стали-срок эксплуатации-вечность, после окончания эксплуатации их можно сдать в металлолом и получить деньги. И  только, для метантенков из нержавеющей не требуют банковскую гарантию.

Способы переработки отходов в биогазовой установке.

Итак, раскроем всю правду и неправду про установки биогаза, рассмотрим некоторые типовые решения, и сравним их.

Как было сказано ранее, агропромышленные отходы являются идеальным «топливом» для установок биогаза, но первое условие для их хорошей работы, сырье ДОЛЖНО БЫТЬ СВЕЖИМ. Поэтому для старого фермерского хозяйства, где изначально не предусмотрено использование установки биогаза, организовать доставку свежего навоза с фермы на установку часто проблематично.

Все знают, что в биогазовой установке происходит процесс мезофильного/термофильного сбраживания, в котором участвуют соответствующие микроорганизмы. Как показала практика, наиболее эффективными, проявили себя термофильные процессы. В дальнейшем мы будем иметь ввиду, что все наши процессы термофильные, но следует заметить, что мезофильные, имея меньшую эффективность, но большую устойчивость, также имеют право на существование. Конструкторы и проектировщики могут использовать оба процесса.

Существуют несколько принципиальных способов переработки отходов в установках биогаза:  Мы рассмотрим 2 из них - нейтральный в среде PH= 6-7, и «кислый», в среде PH=4.

О чем молчат продавцы биогазовых установок.

Конечно, каждый заказчик установки думает и мечтает, что она решит все проблемы утилизации отходов, не будет лагун, не будет запаха, будут чистые удобрения и будет энергия. Все это в некоторой мере заблуждения. В традиционной установке биогаза лидирующих немецких фирм, процесс происходит в нейтральной среде (РН=6). Процесс протекает так, как будто это происходит в живой природе и влияние человека ограничивается созданием вокруг разлагающейся массы бетонного или стального контейнера.

К сожалению в установках биогаза не происходит существенного уменьшения массы навоза, но при этом количество загрязненной воды может возрасти. Кроме того, после процесса установки биогаза снова необходимы лагуны, для 6-месячного хранения ПЕРЕРАБОТАННЫХ отходов. Процесс нагревания биомассы также происходит как в фильмах Жюль Верна, волшебно, с помощью спирального внутреннего трубного нагревателя. Когда я спрашивал у этих лидеров-что случится, если трубопровод прохудится, получал ответ-не прохудится. В реальности мы все понимаем, что если в результате незначительного дефекта трубопровод прохудится, то придется останавливать установку, сливать весь навоз, восстанавливать трубопровод, снова наливать навоз, ждать, когда установка войдет в режим, ведь все микроорганизмы мы слили вместе с навозом перед ремонтом. Кроме того, необходимо учитывать, что в течение этого времени мы не будем получать доходы от продаваемой тепловой и электрической энергии, которые для установки мощностью 1мвт за два месяца составят 1000квт х 24часа х60дней х4р/квтч=5 769 000рублей +тепло.

Кроме того, в антикварных установках свежая партия навоза всегда заливается при температуре окружающей среды, а значит, в холодное время года сырье может подаваться в сильно охлажденном виде, особенно, это заметно зимой. Заливая холодную массу, в «горячий» метантенк, мы останавливаем термофильный процесс, что соответственно приводит к гибели части микроорганизмов. Температура в метантенке может понизится на 2-3*С, а в зоне впрыска свежего сырья еще больше.

МЫ ПРЕДЛАГАЕМ В НАШИХ УСТАНОВКАХ ВНЕШНЕЕ НАГРЕВАНИЕ. И это имеет большое дополнительное преимущество, т.к. температура вливаемого сырья всегда совпадает с температурой в метантенке, а также СИСТЕМУ ЦИКЛИЧНОЙ добавки свежего навоза и удаления переработанного.

В обычных метантенках перерабатываемое сырье находится около 30 дней(РН 6). Каждый день в метантенк наливается свежий навоз в количестве 1/30 части метантенка и выливается 1/30 часть. Посмотрим, что же реально происходит. Если мы залили 1/30 часть свежего навоза, перемешали и вылили 1/30 часть, то в вылитой части навоза содержится 1/900 часть свежего, сегодня влитого, навоза. Также в вылитой части «переработанного» навоза находится вчерашний не переработанный навоз(29/900х1/30,), позавчерашний(28/900х1/30) и т.д. вплоть до навоза, который был залит 30 дней назад(1/900).

Т.е. суммируя весь не переработанный навоз, находящийся в метантенке и попадающий в слитый, и имея ввиду, что процесс разложения сырья нелинейный, мы приходим к выводу, что в слитом навозе находится до 20-30% не переработанного или слабо переработанного навоза. Говорить о том, что это уже готовое удобрение по крайней мере некорректно. Решить проблему эти европейские «лидеры» предлагают установкой второго метантенка, мотивируя это тем, что количество энергии увеличится. И это правда, т.к. есть еще ДО 30% непереработанного сырья. Но и из второго метантенка выйдет 30% от 30% вошедшего, т.к. после второго метантенка в отходах будет находится до 15% свежего навоза. Кроме того, ясно, что количество аммиака NH4 в «переработанном» навозе УВЕЛИЧИТСЯ, т.к. для разложения аммиака на атмосферный азот, необходим кислород, которого в метантенке НЕТ. Поэтому дополнительно необходимо поставить установку, которая делает процесс НИТРО-ДЕНИТРО, т.е. расщепляет аммиак и переводит его в атмосферный азот.

В наших установках переработка всего сырья происходит за 4-12 часов. Таким образом, в ежедневно сливаемой части нет непереработанного навоза, т.е. КПД установки значительно выше. Это приводит еще к одному огромному достоинству: наш метантенк теоретически может состоять из однодневного объема перерабатываемого навоза. В реальности он рассчитан на 5-10 -дневный запас, связанный с аварийными остановками биогазовой установки и необходимым для дальнейшей работы количеством микроорганизмов. Лидирующие предприятия Германии(по количеству полученных денег) никогда не скажут вам, куда вы будете девать навоз в случае аварийной остановки. Перемешивание навозной массы, находящейся в метантенке. Существуют различные системы перемешивания, которые в той или иной мере работают. В «лидирующей стране», где построено около 8000 установок, около 30% так и не смогли заработать никогда, 30% работают кое-как и только оставшиеся 30%, работают по типу устаревших установок Жюля Верна.

В установках нашего типа, электрическая потребляемая мощность на перемешивание составляет 15-25% от традиционного среднего потребления. При перемешивании важно обратить внимание на два фактора:

1. отсутствия в навозной массе инертных и неразлагающихся веществ(типа хитина, лигнина, песка), которые имеют тенденцию к осаждению, а легкие частицы навоза(лигнин) стремятся всплыть и образовать корку. Имея ввиду, что в навозе может находится 1-3% данных веществ существует очень большой риск накапливания твердых отходов на дне метантенка и корки сверху.
2. наличие способа контролировать перемешиваемую массу на предмет однородности состава и температуры во всех частях метантенка. ГРЯЗНЫЕ ВОДЫ. В процессе переработки сырья в метантенке, на выходе образуется смесь навоза и воды 80-90% влажности(т.е. 10% сухого вещество+90%воды). После отжатия на сепараторе, получаем сырье влажностью до 30%(или больше)(т.е. 30% сухого вещества+70%воды) При лучшем отжатии проблема грязных вод возрастает. КАКАЯ ЖЕ ЭТО ПРОБЛЕМА? Это проблема загрязненной воды. BOD5 этой воды составляет 20-30тыс. единиц, и эта вода не подходит для переработки на установках водоочистки биологическими методами или подходит дорогостоящими системами-пруды, каскады и пр.

В нашем метантенке навозная масса при ph=4 находиться в однородном желеобразном состоянии, а инертные удаляются заранее на специальной установке. Таким образом исключается вероятность образования корки на поверхности и сильно снижается масса осаждаемых частиц. Кроме того, в связи со 100%-ным разложением органических остатков BOD5 составляет около 2000-3000 единиц и легко снижается биологическими способами. Этим и объясняется более высокая скорость и эффективность работы установки.

Выводы.

Современные технологии переработки отходов не стоят на месте и становятся все более эффективными, однако российский рынок переполнен предложениями компаний, продающих металл, а не технологии, отсюда появились дорогостоящие установки и стереотипы о низкой эффективности БГУ в российских условиях. Главное для потенциальных покупателей не дать ввести себя в заблуждение и четко определить, что именно и как будет производить Ваша БГУ. Еще раз перечислим основные отличия современных биогазовых установок от устаревших низкоэффективных решений: Переработка отходов в кислой среде при PH=4. Предварительный прогрев массы до рабочей температуры непосредственно перед загрузкой в реактор(особенно в зимнее время). Цикличность производственного процесса при полной переработке массы в одном реакторе. Подготовка массы для переработки, сепарация и регулируемое перемешивание массы с контролем её однородности, возможность удалять твердые осаждаемые частицы.

Описание процесса	Наша установка	Все остальные
Кислотность среды сбраживания в метантанке	РН 4-кислая	РН-6-нейтральная
Время сбраживания в метантанке	1 сутки(24 часа)-соответственно метантанк рассчитан на хранение 3-10 дневного сброса отходов и зависит только от жизнеспособности микроорганизмов.	30 дней соответственно метантанк рассчитан на хранение 30 дневного сброса отходов
Непереработанный остаток%	0	Около 5-20, поэтому часто сроят второй метантанк, в котором происходит переработка еще 30 дней)
Выделение твердой фракции(песок и пр) %	100	0-50
Нагревание массы метантанка	Непрямое, с помощью внешнего нагревателя	Прямое, с помощью серпантина труб
Ремонт или замена нагревательных элементов	1 час, не требуется остановка биоустановки	30 дней, требуется слив всей массы отходов, остановка биоустановки
Перемешивание	Эффективное, есть контроль, низкое потребление энергии, низкое потребление энергии на перемешивание(10-25%)	Не эффективное(и нет контроля)
Предрасположенность переработки различных отходов	100 % предрасположенность сразу	Не перерабатываются отходы, не предусмотренные в проекте
Купол газгольдера	Твердый, не требуется ремонт с остановкой биоустановки	Мягкий, пленка, требует замены каждые 4-5лет
Загрязненность воды в переработанном веществе, BOD5	2000-3000, подходит для очистки биометодами, можно сливать на рельеф(после водоочистки) или вторично использовать для мойки помещений и пр.	30 000 и выше, не подходит для очистки биометодами, нельзя сливать на рельеф или вторично использовать
Управление эл моторами	Сервоприводы, 50% экономия энергии	Прямые асинхронные моторы, не экономичные